Energía de un oscilador armónico

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Tabla de contenidos

1 Introducción
2 Parámetros del movimiento oscilatorio
3 Ecuación del movimiento oscilatorio
4 Relación entre los parámetros
5 Velocidad y aceleración del m.o.a

Introducción

Cuando deformamos el resorte una longitud $A$ con respecto a la posición de equilibrio, la fuerza recuperadora del resorte será $F = - k A$ . Cuando el resorte está en equilibrio, la fuerza recuperadora suplementaria es cero.

La energía que es capaz de desarrollar el resorte es:

$W =\vec F \cdot \vec {\Delta (x-x_0)} = F \Delta (x-x_0) cos \theta$

Donde $\theta$ es el ángulo formado por $F$ e $\Delta (x -x_0)$ , que en nuestro caso, dado que la $F$ y la deformación tienen siempre sentidos opuestos, el ángulo es $\pi$ , y como $cos \pi = -1$ . Como por otra parte el valor máximo de $\Delta (x -x_0)$ es $A$ , la ecuación de la energía del oscilador será: $W = - FA$

La fuerza es variable, y varía entre los valores $-k A$ y $0$ . Esta variación es lineal y, en consecuencia podremos sustituirla en la ecuación por su valor medio, que será la semisuma de los valores máximo $-k A$ y mínimo, $0$ . $F = \frac{- kA +0}{2} = \frac {-k A}{2}$

La energía máxima del resorte será:

$W = - \frac{-k A}{2}\ A = \frac{1}{2}\ k A^2$

Es decir, la energía sólo depende de la constante de elasticidad del resorte y de la distancia a la posición de equilibrio. Y es, en los extremos, una energía potencial elástica.

Cuando estiramos el resorte una longitud $A$ y soltamos, el resorte comienza a moverse, desde una velocidad cero, en los extremos, puesto que pasa de $v>0$ a $v<0$ y viceversa, a un valor máximo cuando el resorte pasa por la posición de equilibrio.

La energía asociada al movimiento es la energía cinética, y será, al pasar por la posición de equilibrio, igual a la energía potencial máxima, tendremos

$E_c_{max} = \frac{1}{2} m v_{max^2} = \frac{1}{2} k A^2$

Pero el oscilador, en su movimiento, pasará por una posición $x$ en la cual llevará una velocidad $v$ , y la ecuación de la energía del movimiento nos quedará

$\frac{1}{2} k A^2 \eqslantless \frac{1}{2} k x^2 + \frac{1}{2} m v^2$

Es decir, la energía total se conserva y es igual, en cada instante, a la suma de la energía potencial y de la energía cinética

En todo caso, no debemos olvidar nunca que siempre ha de cumplirse la segunda ley de Newton

$F = - k x = m a$

De donde obtenemos que $a = - \frac{k}{m} x$

Es decir, la aceleración es proporcional a la distancia a la posición de equilibrio pero con sentido opuesto.

Parámetros del movimiento oscilatorio

Amplitud, $A$ , es la distancia máxima a la posición de equilibrio de la que partimos.

Elongación, $x$ es la distancia del extremo libre del resorte, en un instante $t$ , a la posición de equilibrio.

En el SI todas las longitudes vendrán expresadas en metros.

Periodo, $T$ , es el tiempo que tarda el resorte en describir una oscilación completa, es decir, cuando ha recorrido desde $A 0 (-A) 0 A$ . Se mide en segundos.

Frecuencia, $f$ , es el número de oscilaciones por segundo, es decir:

$f = \frac{1}{T}$

Pulsación, $\omega$ , es $\omega = \frac{2 \pi} {T}$

Ecuación del movimiento oscilatorio

Obtendremos la ecuación del movimiento por tres procedimientos distintos:

de la curva que describen las oscilaciones del resorte en función del tiempo
de la analogía con el movimiento de la ordenada de un punto P que describe un movimiento circular uniforme
por procedimientos analíticos

Vía experimental:

Si se introduce rápidamente el polo norte de un imán en el cuerpo de una bobina conectada a una vía de un osciloscopio conectada en barrido, se observa que la señal del osciloscopio, antes horizontal, presenta un pico. Si sacamos el imán rápidamente, aparecerá un pico, pero esta vez de sentido contrario. Este último sentido será el del pico que aparece si introducimos el polo sur con rapidez. Si sacamos el sur ràpidamente el pico será el mismo que cuando introdujimos el polo norte.

Esto nos muestra, como ya se verá en otro lugar, que cuando un imán se mueve con una cierta velocidad en el seno de una bobina, crea sobre esta una corriente cuya variación nos vendrá dada por la curva que aparezca en el osciloscopio.

Pero veamos qué se obtiene cuando soldamos un imán al extremo de un resorte.

Esta línea es una sinusoide, donde las ordenadas máximas nos indican cuando la elongación es máxima, es decir su amplitud, las ordenadas cero cuando el imán pasa por la posición de equilibrio, de elongación cero.

Tendremos pues una ecuación de la abcisa $x$ que será función sinusoidal con respecto tiempo, podremos escribir :

$x = A sen ( \omega t + \varphi_0)$

Veamos el significado de los parámetros que aparecen en la ecuación y por qué los hemos dispuesto de ese modo.

Supongamos que partimos de un instante $t = 0$ , en la cual $x = A$ , es decir, de una posición igual a la amplitud.

En ese caso, la velocidad varía desde cero y va aumentando. La sinusoide que aparece en el osciloscopio nos mostrará cómo la corriente inducida va aumentando porque la velocidad del polo norte va aumentando también, pero al sobrepasar la posición de equilibrio, la velocidad va disminuyendo y la corriente inducida también. Cuando llega a la posición $x = -A$ el extremo del imán se detiene, y la corriente inducida vale cero. Al regresar, el polo norte, saliendo, la sinusoide cambia de signo porque la corriente inducida cambia de sentido, da señales de valor negativo, hasta alcanzar el vientre siguiente, en el cual la velocidad es cero. No hay que olvidar que la velocidad es el valor de la pendiente de la tangente a la curva en un punto. En las crestas y en los vientres dicha pendiente toma el valor cero.

La pendiente de la tangente a la gráfica partir de una cresta toma valores negativos y su inclinación es máxima en los puntos de elongación cero, que es cuando el resorte pasa por la posición de equilibrio.

A partir del vientre, donde la v es cero, la pendiente va aumentando hasta que se alcanza de nuevo el equilibrio y toma siempre valores positivos.

Desde una cresta hasta un vientre las pendientes son negativas, desde un vientre a una cresta, son positivas.

De este modo podremos deducir que si $x$ es $max$ para $t = 0$ , tendremos:

$0 = A sen (0 t + \varphi_0)$ de donde $1 = sen\varphi_0$ , por lo cual $\varphi_0 = \frac{\pi}{2}$

¿Pero qué significará entonces $\varphi_0$ ? Es el ángulo que hay que añadir en la parte angular de la ecuación para que ésta responda a la realidad del movimiento. $\omega$ , es el coeficiente del tiempo en la parte angular de la ecuación, y ya hemos dicho que lo hemos llamado pulsación

$\omega = \frac{2\pi}{T}$ o bien $\omega = 2 \pi f$

La ecuación pues, en este caso queda $x = A sen(\omega t + \frac{\pi}{2})$

Es evidente, que si contamos el tiempo a partir del instante que el móvil pasa por la posición de equilibrio, tendríamos que para $t = 0$ , $x = 0$

$0 = A sen(0t + \varphi_0)$ , $0 = sen \varphi_0$ , con lo cual $\varphi_0 = 0$ o bien $\varphi_0 = \pi$

El que la constante de fase tome uno de los valores $0$ o $\pi$ dependerá de que el imán esté empezando a bajar o empezando a subir. Si empieza a bajar $\Delta x > 0$ , pero si empieza a subir $\Delta x < 0$

En consecuencia, si $x = 0$ para $t = 0$ , bajando, quedará $x = A sen (\omega t + 0) = A sen \omega t$

Y la curva irá subiendo (velocidades positivas) hasta alcanzar una cresta.

Pero si está subiendo, $\varphi_0= \pi$ y la ecuación quedará

$x = A sen (\omega t +\pi)$

La sinusoide está en la posición de elongación $x = 0$ , pero las velocidades sean negativas, irá hacia un vientre.

Analogía con el movimiento circular uniforme

Si recordamos que el movimiento circular uniforme es el descrito por el extremo del radio vector de un $P$ que describe una circunferencia. Al expresar la ecuación del movimiento de la proyección de $OP$ sobre un diámetro, tendremos: $y = OP sen \varphi$ pero $OP$ es el valor máximo de $y$ , $y \varphi$ es el ángulo barrido por el radio vector, de modo que: $\omega =\frac { \varphi - \varphi_0}{t_0}$ , $\varphi = \omega t + \varphi_0$ y la ecuación del movimiento de $y$ quedará: $y = y_{max} sen (\omega t + \varphi_0)$ en la que se puede observar su similitud con la obtenida experimentalmente.

Estudio analítico

De la ecuación general de la energía podremos encontrar la variación de $x$ con relación a $t$

$\frac{1}{2} k A^2 \eqslantless \frac{1}{2} k x^2 + \frac{1}{2} m v^2$

simplificando los valores $\frac{1}{2}$ y despejando $v$

$k A^2 \eqslantless k x^2 + m v^2$

$m v^2 = k A^2 < - k x^2$

con lo cual:

$v = \sqrt \frac{k}{m} \squart A^2 - x^2$ pero $v = \frac{dx}{dt}$

$\frac{dx}{dt} = \sqrt \frac{k}{m} \sqrt A^2 - x^2$

$\sqrt \frac {m}{k} dt = \frac{1}{ \sqrt A^2 - x^2} dx$

integramos y queda:

$\sqrt \frac {m}{k} t = \frac{1}{A} \frac {1}{\sqrt \frac {1}{1- \frac{ x^2}{ A^2}}} dx$

$\sqrt \frac{m}{k} t = \frac {1}{\sqrt \frac {1}{1- \frac{ x^2}{ A^2}}} dx$

Pero el segundo miembro de la ecuación es la integral inmediata de $arc sen \frac {x}{A} +C$ , donde $C$ es la constante de integración para $t = 0$

$\sqrt \frac{m}{k} t = arc sen \frac {x}{A} + C$

Con lo cual nos quedará $x = A sen (\sqrt \frac{m}{k} t - C)$

Relación entre los parámetros

Hemos obtenido inicialmente la ecuación: $x = A sen (\omega t + \varphi_0)$

Podemos observar que: $\omega = \sqrt \frac{m}{k}$ y como $\omega = \frac{2 \pi}{T}$ tenemos que: $T = 2 \pi \sqrt \frac{m}{k}$ En la cual se observa que el periodo es independiente de la amplitud, A, y sólo depende de la masa que suspendamos del resorte y de su constante de elasticidad.